XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение

При строительстве трубопроводов критически важно выбрать оптимальный маршрут, который обеспечит эффективную и безопасную транспортировку ресурсов. Для этой задачи применяются специализированные геоинформационные системы, которые с помощью различных алгоритмов находят наилучший вариант для прокладки трубопроводов.

В данной работе рассматривается методика нахождения оптимального маршрута трубопровода для сточных вод между производственным объектом и очистными сооружениями.

Для нахождения оптимальной траектории использовались следующие условия:

• минимальная стоимость прокладки трубопровода;

• затраты на прокладку трубопровода будут зависеть от стоимости земельных участков, по которым он проходит;

• трубопровод предпочтительно должен иметь уклон «сверху-вниз» для минимизации затрат на установку дорогостоящего насосного оборудования.

Из приведенного перечня требований становится понятным, что без автоматизации процесса задача определения траектории трубопровода является весьма сложной. По этой причине в данной работе рассматриваются возможности для обеспечения такой автоматизации средствами геоинформационной системы (ГИС).

1. Исходные данные

В качестве исходных данных формируются карты, содержащие тематическую информацию для выбранного района. В нашем случае такими картами являются:

1. Растровая карта землепользования (см. рис. 1).

Рисунок 1. Исходная цифровая карта землепользования

2. Растровая карта рельефа (см. рис. 2).

Рисунок 2. Исходная цифровая карта рельефа

3. Растровая карта с указанием места расположения промышленного объекта и очистных сооружений (см. рис. 3).

Рисунок 3. Взаимное расположение очистных сооружений (код 1)

и промышленного объекта (код 2)

2. Методика использования средств ГИС для определения оптимальной траектории трубопровода

Для определения маршрута трубопровода были заданы следующие значения стоимости прокладки в условных единицах:

- стоимость ландшафтов: жилая и индустриальная застройки и леса –10 усл. ед.; луга –3 усл. ед.; пашни, пастбища -1 усл. ед.; дороги, озера и болота – 1000 усл. ед.;

- стоимость с учетом уклона местности: уклон вверх – 20 усл. ед.; ровная местность – 5 усл. ед.; уклон вниз – 1 усл. ед.

Для минимизации затрат на транспортировку сточных вод по трубопроводу, маршрут необходимо выбрать так, чтобы избежать областей с подъемами, так как это потребует установки и использования дорогого насосного оборудования.

Программа способна рассчитать величину и направление уклонов, используя цифровую карту рельефа местности.

Воспользовавшись командой «SURFACE», получили карту экспозиции склонов (азимутального направления максимального уклона) в градусах в каждой ячейке изображения (см. рис. 4).

Рисунок 4. Карта экспозиции склонов

Теперь можно задать стоимость прокладки трубопровода при прохождении через любую ячейку, основываясь на направлении уклона рельефа и направлении перемещения стоков от промышленного объекта к очистным сооружениям (в рассматриваемом случае – с севера на юг).

Используя опцию «reclass», имеющуюся у ГИС IDRISI для обработки цифровых карт, зададим следующие цены (см. табл.1).

Таблица 1 Цены с учетом уклона местности

N п\п	Присвоить новое значение	для всех значений от	до строго меньше, чем	Направление уклона
1	5	-1	0	Нет уклона
2	1	0	90	СВ квадрант
3	20	90	270	ЮВ/ЮЗ квадранты
4	1	270	361	СЗ квадрант

Ячейки, которые содержат подъем, имеют относительную стоимость затрат 20 усл. ед. Ячейкам, через которые наиболее выгодно проводить трубопровод, присвоены следующие стоимости: не имеющим подъем - 5 усл. ед., имеющим уклон вниз - 1 усл. ед.

На рис. 5. представлена полученная цифровая карта затрат с учетом направления стока.

Рисунок 5. Затраты с учетом направления стока

Теперь переходим к созданию карты второго вида затрат на строительство трубопровода, а именно - с учетом стоимости различных участков земли на карте землепользования «landuse».

Для назначения стоимости различных типов земель используем опцию «reclass». Затраты выбраны достаточно произвольно, опираясь на следующие аргументы. Земля, на которой находятся дороги, озера и болота, не пригодна для прокладки трубопровода, т.е. таких участков следует избегать. Поэтому им присваивается относительная высокая стоимость в 1000 усл. ед. Жилой и индустриальной застройкам и лесу присваивается относительная стоимость 10 усл.ед. Лугам присваивается относительная стоимость 3 усл. ед. Пашням и пастбищам присваивается относительная стоимость 1 усл. ед. (см. табл. 2).

Таблица 2 Цены с учетом типа ландшафта

№ п/п	Присвоить новое значение	Для всех значений от:	До строго меньше, чем:	Вид ландшафта
I	10	1	4	жилая и коммерческая застройки
II	1000	4	6	дороги, озера
III	1	6	7	пашни/пастбища
IV	10	7	8	лес
V	1000	8	9	болота
VI	3	9	10	луга

Полученная цифровая карта затрат с учетом типа земельных участков представлена на рис. 6.

Рисунок 6. Карта затрат на строительство с учетом стоимости

различных участков земли

Окончательные затраты, присвоенные каждой ячейке, могут быть получены путем суммирования стоимости за счет учета уклона местности и стоимости различных участков земли. Для этого воспользовались командой «overlay», выбрав типом наложения – сложение.

Карта общих затрат, которые могут возникнуть при прокладке трубопровода внутри изучаемой области представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. Карта общих затрат

Следующим этапом необходимо создать карту поверхностей равных затрат на преодоление расстояний. Это карта, которая учитывает аккумулированные затраты при радиальном движении во всех направлениях от заданной точки (промышленного объекта). Здесь значения в ячейках возрастают не просто пропорционально расстоянию от исходной точки, но также аккумулируют конкретные затраты на траверс от текущего к последующему пикселю. Такая поверхность генерируется командой «Cost». Области, которые закрашены яркими цветами, имеют высокую стоимость транспортировки загрязняющих веществ по трубопроводу (их следует избегать). Области, которые обозначены темными цветами, дешевые (предпочтительнее для выбора маршрута) (см. рис.8).

Рисунок 8 Карта поверхностей равных затрат на преодоление расстояний

Для определения оптимального маршрута с использованием подготовленных данных нужно воспользоваться командой «pathway».

На рисунке 9 представлена траектория прокладки трубопровода с минимальными затратами.

Рисунок 9 Траектория прокладки трубопровода с минимальными затратами

Теперь, когда имеется изображение, которое определяет маршрут, нужно расположить его на карте (см. рис. 10)

Рисунок 10 Трубопровод на фоне карты ландшафтов в двух цветовых палитрах

Используя команду «orto» можно получить трехмерное изображение участка земли с проложенным на нем оптимальным маршрутом прокладки трубопровода между промышленным объектом и очистными сооружениями (см. рис. 11).

Рисунок 11 Изображение оптимального маршрута на карте в трехмерном виде

Программа позволяет в автоматизированном режиме рассчитать итоговые длину и стоимость трубопровода с учетом уклона и особенностей каждого района рассматриваемого участка.

Так как мы имеем дело с растровой картой, для расчета длины сначала необходимо закодировать карту «Оптимальный маршрут» так, чтобы каждый элемент изображения (пиксель), относящийся к трубопроводу, содержал информацию о длине реально приходящегося на него участка трубопровода на земной поверхности. Зная пространственное разрешение электронной карты, присвоим ячейкам, относящимся к трубопроводу, значение 65 м, соответствующее разрешению карты.

Воспользовавшись для этой цели командой «reclass», получим карту, представленную на рисунке 12.

Рисунок 12 Маршрут для расчета длины

Используя команду «extract», можно получить сведения, как об общей длине трубопровода, так и о длинах его участков, приходящихся на каждый из ландшафтов и на зоны с различным уклоном.

Рисунок 13 иллюстрирует расчет общей длины трубопровода, составившей 10790 м.

Рисунок 13 Расчет общей длины трубопровода

Рисунок 14 иллюстрирует расчет длины участков трубопровода, проходящих через разные ландшафты.

Рисунок 14 Длины участков трубопровода на различных ландшафтах

Анализ данных на рис.14 показывает, что большая часть трубопровода проходит по самым дешевым участкам: 3835 м по территории пашен и пастбищ и 3640 м по лугам. Участок в 2925 м проходит через лес и 325 м проходит по жилой застройке низкой плотности. По территориям жилой застройки высокой плотности, коммерческой застройки, болот и водоемов трубопровод не проходит. 1 пиксель (65 м) пришелся на водоемы, т.к. в этой точке на карте оказался расположенным промышленный объект.

Рисунок 15 иллюстрирует расчет длины участков трубопровода, проходящих через зоны с различным уклоном.

Рисунок 15 Длины участков трубопровода, проходящих через зоны

с различным уклоном

Анализ данных на рис.15 показывает, что большая часть трубопровода проходит по самым дешевым участкам - 10335 м с уклоном вниз. Участок в 455 м маршрута приходится на зоны с уклоном вверх, по ровной местности трубопровод не проходит.

Для автоматизированного расчета стоимости трубопровода сначала необходимо закодировать карту «Оптимальный маршрут» так, чтобы каждый элемент изображения (пиксель), относящийся к трубопроводу, содержал код 1 вместо кода 12, что будет соответствовать количеству пикселей, приходящихся на траекторию трубопровода.

Воспользовавшись для этой цели командой «reclass», получим карту, представленную на рисунке 16.

Рисунок 16 Маршрут для расчета стоимости

Аналогичным образом, используя команду «extract», можно получить сведения, как об общей стоимости трубопровода, так и о стоимости его участков, приходящихся на каждый из ландшафтов и на зоны с различным уклоном.

Рисунок 17 иллюстрирует расчет общей стоимости прокладки трубопровода с учетом уклона и особенностей каждого района рассматриваемого участка, составившей 2026 усл. ед.

Рисунок 17 Расчет общей стоимости трубопровода

Рисунок 18 иллюстрирует расчет стоимости участков трубопровода, проходящих через разные ландшафты.

Рисунок 18 Стоимость участков трубопровода на различных ландшафтах

Анализ данных на рис.18 показывает, что на территории пашен и пастбищ приходится 59 усл. ед. стоимости, на луга – 168 усл. ед. (56*3), 500 усл. ед. (50*10) – стоимость участков жилой застройки низкой плотности и леса. И 1000 усл. ед. пришлось на пиксель, в котором расположен промышленный объект на территории водоема.

Рисунок 19 иллюстрирует расчет стоимости участков трубопровода, проходящих через зоны с различным уклоном.

Рисунок 19 Стоимость участков трубопровода, проходящих через зоны

с различным уклоном

Анализ данных на рис.19 показывает, что 159 усл. ед. стоимости приходятся на зоны с уклоном вниз, 140 усл. ед. (7*20) - на зоны с уклоном вверх. По ровной местности трубопровод не проходит.

Заключение

Разработана и реализована методика нахождения оптимального маршрута прокладки трубопровода с точки зрения минимизации затрат и наличия ограничений с использованием возможностей ГИС IDRISI.

Последовательно реализованы все этапы применения технических возможностей ГИС, позволивших в конечном итоге автоматизировать поиск траектории трубопровода с учетом выдвигаемых требований.

Данная методика может быть применена для любых районов при наличии соответствующих цифровых карт.

Список использованных источников:

1. Введение в геоинформационные системы: Учебное пособие / Блиновская Я.Ю., Задоя Д.С., 2-е изд. - М.: Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 112 с.: http://znanium.com/catalog.php?bookinfo=509427

2. Сероухова О.С. Лабораторный практикум по дисциплине «Геоинформационные системы». – СПб.: Изд. РГГМУ, 2007.– 112 с.

3. Третьяков В.Ю., Селезнев Д.Е. Применение геоинформационных систем в геоэкологических исследованиях. - СПб.: Изд-во РГГМУ, 2008.- 207 с. http://elib.rshu.ru/files_books/pdf/img-515133536.pdf

4. Чандра А.М., Гош С.К. Дистанционное зондирование и географические информационные системы. - М.: Техносфера, 2008.- 307 с.

5. Кузнецов А.Д., Сероухова О.С., Симакина Т.Е., Солонин А.С. Оценка возможностей использования средств ГИС для определения местоположения метеорологических станций по спутниковым снимкам // Сборник тезисов Всероссийской научно-практической конференция «Современные проблемы гидрометеорологии и устойчивого развития Российской Федерации». – СПб.: РГГМУ, 2019. – С. 466 – 468.

6. Восканян К.Л., Кузнецов А.Д., Сероухова О.С., Симакина Т.Е. Оценка возможностей ГИС-технологий для позиционирования пунктов метеорологических наблюдений // Труды ГГО им. А.И. Воейкова, 2018, Вып. 591, С. 124—140

7. Корнилова Е.А., Кузнецов А.Д., Сероухова О.С. Методика использования средств ГИС Idrisi для выбора потенциальных мест расположения метеорологических площадок для АМС //XVI Международная студенческая научная конференция «Студенческий научный форум 2024».- Москва, 2024 г., 12 с.

Сведения об авторах:

• Зоммер Валерия Павловна, студентка третьего курса метеорологического факультета ФГБОУ ВО «Российский государственный гидрометеорологический университет»

• Сероухова Ольга Станиславовна, доцент кафедры экспериментальной физики атмосферы ФГБОУ ВО «Российский государственный гидрометеорологический университет»

Код для цитирования: Скопировать